Vědci odhalili, jak bakterie kvantově zdvojnásobují energii ze Slunce: Klíč k novým solárním panelům

Vědci nedávno odhalili, jak určité fotosyntetické bakterie využívají sofistikovaný kvantový mechanismus k výraznému zvýšení účinnosti při zachycování slunečního světla.

Vědci nedávno odhalili, jak určité fotosyntetické bakterie využívají sofistikovaný kvantový mechanismus k výraznému zvýšení účinnosti při zachycování slunečního světla. Studie, publikovaná v časopise Nature Chemistry a vedená profesorkou Jenny Clark, ukazuje, že příroda po miliardy let používá proces zvaný „singlet fission“, což je v podstatě „dva za jednoho“ energetický obchod, k optimalizaci sklizně solární energie.

Zatímco základní principy přeměny světla na chemické palivo u rostlin a bakterií jsou vědcům dlouho známé, biologická role singlet fission byla dosud málo pochopena. Běžně fotosyntéza funguje na principu „jeden foton, jeden energetický balíček“. Když molekula pigmentu absorbuje jednu částici světla (foton), generuje jeden energetický balíček (exciton) a odesílá jej do reakčního centra buňky.

Nejnovější výzkum, založený na laboratorních experimentech s purpurovými fotosyntetickými bakteriemi, ukázal, že v jejich světlosběrných komplexech dochází k novému procesu hetero-fission. Když vysoce energetický pigment zvaný karotenoid absorbuje sluneční světlo, nevytvoří pouze jeden energetický balíček. Místo toho rozdělí tuto energii na dva balíčky s nižší energií, zvané „triplety“.

Tyto triplety, které vznikají mezi sousedními molekulami, jsou uzamčeny v ochranném kvantovém stavu, který zabraňuje ztrátě jejich energie jako odpadního tepla. Tím, že se spojí, fungují jako malá, dlouhotrvající biologická baterie. Bezpečně ukládají energii po zlomek sekundy, než spojí své síly, což umožňuje hladký přenos energie do zbytku buňky.

Vědci zjistili, že triplety mají výhodu v tom, že je blokována jejich rychlá ztráta energie. To jim umožňuje fungovat jako dlouhotrvající biologická baterie, která bezpečně uchovává energii, dokud není potřeba. Vytvořením tohoto nárazníku mechanismus dočasně rozloží dodávku energie. Tím je zajištěno, že biologický systém není nikdy přetížen, a zároveň se maximalizuje množství úspěšně sklizené solární energie.

„Objevili jsme, že příroda po miliardy let využívá kvantovou mechaniku k obcházení standardních limitů účinnosti. Využitím tohoto energetického obchodu ‚dva za jednoho‘ mohou bakterie bezpečně ukládat energii jako biologická baterie, místo aby ji ztrácely jako odpadní teplo. Pokud dokážeme zkopírovat tento přírodní plán, můžeme navrhnout kvantové technologie nové generace, které budou jedinečně stabilní, což změní způsob, jakým uchováváme a zpracováváme citlivé kvantové informace při pokojové teplotě,“ uvedla profesorka Clark.

Zkoumáním těchto kvantových mechanismů studie přesně určila, jak bakterie hladce integrují fyziku a biologii k navýšení svého energetického výstupu. Zjištění mají sloužit jako základ pro budoucí návrhy kvantových a pokročilých technologií, což inženýrům umožní napodobit tyto přírodní genetické plány pro udržení stabilních a chráněných kvantových stavů v uměle vytvořených zařízeních.